嚴寒地區內廊式教學樓室內自然通風的優化

0 引言

隨著高校規模的擴大、數量的增加，建筑內部的組合設計為追求更高的土地利用率采用了內廊式布置，即中間走廊、兩邊教室的布置方案。該布置雖節地節能、功能緊湊

，但教室進深大、開間小、走廊狹長，建筑整體趨于封閉、半封閉狀態，致使室內通風不暢、空氣質量差、空調能耗高。據統計，在全年能耗比例中，空調系統的能耗占比達40%～50%

。在研究方面，王偉等人有關某教學樓的實際能耗統計中，空調系統能耗占比達47%

；Liu H等人研究了過渡季氣候變化對人的行為反應，發現人的行為、生理和心理都會受到熱舒適度的影響

；Zs.Bakó-Birób采用主觀問卷與實測方式探討了室內通風速率對學生學習能力的影響，發現在無通風的情況下，學生判斷力、記憶力、思維能力都有下降

；Tess M.Stafford認為，若人長期處在不良的空氣品質中，會降低工作效率和工作質量，并導致健康問題

；高小燕

曾對多個學校的教室進行了空氣質量調查，發現10 個教室中有9 個CO

含量過高，這與空氣流通不順暢有關；Oropeza-Perez I 等

以自然通風作為冷卻手段，對丹麥住宅進行了室內空氣溫度測試，發現自然通風的引進能提升熱舒適性，并能減少90%的機械通風時間；González-Lezcano R A等

基于馬德里公寓樓所處區域的風速和風向信息，整理出一年中適合自然通風的時段，并結合外部環境和建筑設計，建立了能耗與自然通風之間的函數關系；李璐等人

利用斯維爾vent 軟件對窗洞口尺寸、窗戶開啟方式及進出風口高度差進行了優化，改善了室內通風環境；陳國棟

通過優化教學樓的平面、剖面及外圍護構件，提高了室內通風水平。因此，優化教學樓以改善空氣質量、提高室內舒適度、降低建筑能耗是高度可行的。

第一個項目是外科樓自然冷源利用，即在過渡季和冬季，利用自然冷源（冷卻塔將冷卻水降溫）給空調冷凍水降溫，供應ICU病房和手術室各房間的制冷需求。在這個項目上，醫院也是首次采用合同能源管理的方式進行，節能效果十分顯著，年節電49.5%，年節天然氣2.1萬立方米。該項目入選住房和城鄉建設部優秀案例，納入《建筑合同能源管理項目案例精選》。

本文結合嚴寒地區氣候特點，對內廊式教學樓基于自然通風環境進行了優化設計，以呼和浩特市為例，利用Weather tool軟件載入該地區氣象數據，得出建筑獲得良好通風的朝向，再結合Airpak模擬軟件，對該朝向的教學樓進行了走廊尺寸、教室尺寸、側窗洞口及橫向高窗的優化，并對這些要素進行靈敏度計算，得出各參數對通風環境的影響程度，為嚴寒地區內廊式教室的優化設計提供了理論依據和實踐指導。

使用MIDAS Civil、FEA分別建立梁單元與實體仿真模型，材料為C30混凝土一維線性本構，原構件梁截面為10 000 mm2，長300 mm。分別在100 mm、200 mm處施加豎向1 000 N集中力。原結構層側面增設加固層，加固層厚50 mm(0.5h0<0.6 S，其中h0為原結構厚度，0.6 S為《公路圬工橋涵設計規范》JTG D61-2005[6]規定偏心距限值)，控制變量起見，加固層材料與原結構層一致，不計收縮徐變效應，通過截面特性合理設置加固層截面偏心距模擬新舊材料表面貼合，該方式默認加固后外力作用點不發生改變，未考慮界面粘結與層間相互作用。

1 研究對象

內廊式教學樓的平面布局多為中間走廊、兩邊教室布置方案。走廊設計主要以滿足疏散要求為主，寬度一般為2.4 ～3.6 m，長度取決于教室尺度和房間數。教室最常見的形式為矩形，長寬比約為1:1～1.5:1，層高3.3～4.2 m

。本文選取的內廊式教室的最初原始模型為表1所示，每個教室采光口面積按規范要求窗地比為1:5設置，具體以嚴寒地區呼和浩特市為例，利用Weather tool軟件導入該地區氣象數據，得出風頻圖見圖1所示。

由全年、季節、逐月風頻圖可直觀看出：呼和浩特地區主要為偏南風（南風、東南風、西南風）及偏東風（東風、東南風、東北風），其中，東南風為主導風，西南風為次主導風，年均風速在1.4 m/s左右，最大風速達14 m/s。因此，就呼市而言，合理利用室外自然風來改善室內風環境是可行的，良好的通風朝向為南偏東45 °。本文基于該朝向對內廊式教學樓的走廊、教室、側窗洞口及高窗進行了優化設計。

2 影響因素研究

2.1 走廊寬長比

走廊寬度主要是考慮學生疏散和活動空間，但不同尺寸會帶來不同的通風效果。為探討走廊寬長比對風環境的影響，本節以每側五間教室（9×6×3.6 m）并排組成45 m的走廊長度為例，僅通過改變走廊寬度來改變走廊的寬長比。走廊寬度有1.8 m、2.1 m、2.4 m、3 m、3.3 m 5種，對應的走廊寬長比分別為0.04、0.047、0.053、0.067、0.073，教室的窗戶設置同表1，走廊間的窗墻比和窗戶高度保持0.3 和2.1 m不變，僅改變窗戶寬度，得到五種工況下的風速場、溫度場，見圖2和表2。

由表3可知，隨著教室長寬比的增加，低速區面積占比減小，適宜區及高速區占比增加。當教室長寬比在1.2～1.3之間時，室內最大風速不超過1.5 m/s，而風速低于0.2 m/s的面積占比大于40%，適宜區低于50%；當長寬比進一步增大，室內最大風速增加，超過1.5 m/s，低速區面積占比減小，適宜區面積增加；當教室長寬比增大至1.4～1.5時，舒適區面積占比達50%以上，但大于1.0 m/s的風速區的面積也明顯增多，說明一味增加教室面寬，會使近窗處風速過大，不利于正常作業。因此教室長寬比應控制在1.3～1.4為宜。

從中國向 “一帶一路”沿線國家出口商品結構來看，主要涉及電機、電氣設備及其零件，出口金額為1165.9億美元；鍋爐、機器、機械器具及零件等商品，出口金額為920億美元。

2.2 矩形教室長寬比

矩形作為教室最常見的形式，長寬比一般為1:1～1.5:1、層高3.3～4.2 m，結構簡單、經濟性和使用率高。不同的平面尺寸會帶來不同的室內風環境。本節以教室開間與進深比在1.2～1.5之間進行通風環境影響分析，具體以0.05為步距進行增加，模擬結果如表3。

因此可以得到如下結論：(1)相比矩形布局策略，UPRFloor布局策略在犧牲一定算法時間復雜度的情況下能夠節省更多的可重構資源；(2)隨著w1取值的增大，節省的可重構資源隨之增多，同時算法耗時也有所增長，在可重構資源稀缺且布局時限寬松的應用場景中，可選擇如參數配置4的參數方案以便獲得最高的資源利用率；(3)當w1的取值小于w2與w3時，該布局策略仍能具有較好的布局性能；(4)因為算法耗時與資源利用率增速不匹配的原因，不建議采用類似配置5、6的極限參數配置方式.

2.3 側窗洞口

側窗洞口是內廊式教室進行自然采光與通風的主要路徑。門窗洞口位置、開啟大小及開啟方式都會對室內空氣氣流產生影響，而嚴寒地區的建筑，洞口設計既要防寒又要夏季通風，因此，本節主要從窗戶大小、位置、形狀三方面著手進行優化。

由圖2和表2可知，走廊寬長比不同，室內風速場、溫度場也不同，且隨著走廊寬長比的增加，室內整體通風環境有所改善。在走廊寬度為1.8 m，即寬長比為0.04、風速區低于0.2 m/s時，風速區間的區域占比達47.3%，比風速適宜區0.2～1.0 m/s的占比多9.2個百分點；當走廊寬度增加至2.4 m，即寬長比為0.053時，相比于寬長比0.04時低速區0～0.2 m/s的面積占比減少了5.8 個百分點，適宜區占比增加了5.1 個百分點，1.0～1.5 m/s 的高速區增加了 0.3 個百分點；當走廊寬度進一步增大至3.3 m，即寬長比為0.073時，低速區面積占比減少至34.6%，適宜區占比增加至49.6%，相比于寬長比0.04 時的低速區占比減少了12.7個百分點，適宜區增加了11.5個百分點，這是由于走廊寬度、窗戶面積的增加，使室外引進的通風量、走廊被風吹過的面積增加了，遠窗處靜風區面積減少了，這對降低走廊溫度、提高走廊空氣品質極有意義。但對狹長的內走廊，僅靠增加走廊寬長比來改善通風環境是不合實際的，因走廊寬度增加，意味著建筑成本增加，且降低了空間利用率，因此，需在教室之間加入過渡空間或利用其它措施來優化自然通風，使室內風速更加均勻。

窗墻比是影響室內自然通風的重要因素。窗洞口越大，室內通風效果越好，但過大室內風速也越大，會影響正常作業，且增加熱損失，帶來采暖能耗的增加。在《公共建筑節能設計標準》中，嚴寒地區各朝向的窗墻比不大于0.35

。因此，本節在保證窗戶寬度2 m不變的情況下，通過改變側窗高度來改變窗戶大小，具體模擬窗墻比為0.15、0.2、0.25、0.3、0.35這5種工況及工作面0.75 m處的風速場和溫度場，結果如圖3、表4所示。

窗墻比增大能顯著改善室內風環境。當窗墻比低于0.2時，即教室僅有一扇窗戶進行通風，室內整體風速低且不均勻，近窗處風速較大，靠廊側及窗戶兩邊墻角處風速較低，風速位于0.2 m/s 的面積占比在40%以上，適宜風速區的占比低于40%；當窗墻比增大至0.3時，室內平均風速約為1.43 m/s，低風速區面積占比減少到24.6%，適宜區占比增至56.8%，說明室內被風吹過的面積增加，整體通風環境得到很大改善；當窗墻比增大至0.35 時，低速區面積占比進一步減少，適宜區增加，但室內整體平均風速達到了1.57 m/s，風速超過1.0 m/s的區域面積明顯增加，影響了正常作業，因此，窗墻比應控制在0.3左右。

窗戶面積相同的情況下，窗戶形狀也會對室內氣流產生影響。本節在保證窗戶大小、窗臺高度不變的情況下，對側窗形狀進行改變，具體模擬工況為1個8×1.35 m的帶形窗、4個1.125×2.41 m的條形窗和 3 個 1.9×1.9 m 的方形窗，窗間墻均為0.6 m，具體分析工作面0.75 m 處的風速場與溫度場，模擬結果如圖4及表5所示。

高速駕車時，駕駛人精神緊張，長時間緊張就容易產生疲勞感，疲勞后繼續駕駛車輛，會感到疲倦瞌睡、四肢無力、注意力不集中、判斷力下降等，此時危險系數會急劇增大，導致意外的發生。疲勞檢測系統通過計算判斷長時間閉眼、打哈欠等臉部特征來判斷疲勞的程度，從而提醒駕駛人進行休息、停車等。

由圖4、表5 可知，相同面積下窗戶形狀不同，形成的風速場、溫度場也不同。帶形窗在窗戶位置處的風速在0.96～1.44 m/s 之間，隨著距離外窗越遠，風速減小得越快，在靠近內廊附近時，風速基本降為0；低速區面積占比高于條形窗與方形窗，適宜區占比最低，說明帶形窗不利于教室的整體通風；條形窗風速在進深反方向減小得緩慢，在開間方向分布不均，如窗口處風速達到了1.57 m/s，而窗間墻位置則低于0.524 m/s，但整體低于0.2 m/s的區域僅占 21.4%，在 0.2～1.0 m/s 的占比增至58.5%，高于帶形窗與方形窗；方形窗風速場分布較均勻，室內平均風速0.9 m/s 左右，廊道內1.36 m/s左右，各風速區間占比位于兩者之間。綜合來看，方形窗通風效果最好，條形窗次之，帶形窗最差。

黨和國家機構職能體系是中國特色社會主義制度的重要組成部分，是我們黨治國理政的重要保障。習近平總書記深刻指出，堅持和加強黨的全面領導，既是深化黨和國家機構改革的內在要求，也是深化黨和國家機構改革的重要任務。要堅定貫徹、全面落實中央和省委的改革部署，把堅持和加強黨的全面領導作為深化機構改革的首要任務，統籌省市縣鄉各層級、黨政群各領域改革，優化機構設置和職能配置，構建系統完備、科學規范、運行高效、符合江蘇實際的機構職能體系，為實現高質量發展走在前列提供堅強有力的體制機制保障。

同理，在保證窗戶大小、形狀不變的情況下，本節對不同窗臺高度自然通風進行了模擬，結果如表6所示。

式中：

——某參數

值

P

的變化量，

=

P

-

P P

-某參數

的設定值

2.4 橫向高窗

由圖5、表7可知，增設高窗后室內整體通風效果有所提高，這與南北兩側形成有效的穿堂風有關，可及時排出上課時積累的熱氣流。隨著高窗尺寸的增加，低速區的面積占比減小，適宜區增多，當高窗尺寸增加至 2.4×0.6 m 時，低于 0.2 m/s 的面積占比減少至15.3%，適宜區增加至61.2%，當進一步增大高窗尺寸時，室內低速區的區域面積并未大幅減少，而適宜區的也未成倍增加，因此，適宜的高窗尺寸宜選擇寬2.4 m×高0.6 m。

本節通過增設高窗，利用進出風口的高度差形成熱壓差來改善室內通風，具體為在廊道兩側內墻1.8 m 處設置橫向高窗，具體模擬為寬 2.1m×高0.45 m、寬2.1 m×高0.6 m、寬2.4 m×高0.6 m、寬2.4 m×高0.9 m與寬3 m×0.9 m的室內風環境情況，結果如圖5和表7所示。

3 靈敏度分析

為得到各因素對室內自然采光與通風的影響，本文采用靈敏度系數進行對比分析。靈敏度是項目效益指標變化的百分率與不確定因素變化的百分率之比，用

S

%來表示，其中

S

為靈敏度系數，計算公式如下

：

——由于參數變化引起的目標變化量，

=

-

L

由表6可知，隨著窗臺高度的增加，低速區面積占比小幅減小，適宜區的小幅增加。高度每增加0.1 m，風速低于 0.2 m/s 的面積占比平均減少0.43%、0.2～1.0 m/s的增加0.73%、大于1.5 m/s的減少0.23%。整體而言，窗臺高度增加對改善室內風環境有益，但影響較小。

針對心肌梗死(心梗)的快速識別，目前使用的第五代心肌肌鈣蛋白(cTn)測定技術能在第四代的基礎上精確10～100倍，其敏感度達到0.5～5 ng/L，因此被稱為高敏cTn(hs-cTn)。hs-cTn的檢測提高了心梗診斷的敏感性和陰性預測值，同時必然降低特異性和陽性預測值。因此，對cTn出現升高的非心梗原因應特別注意，主要包括以下6種:

L

——基礎值，本文取適宜風速區（0.2～1 m/s）

得出各因素對室內適宜風速區占比的靈敏度系數，如圖6所示。

此外，深圳港對其水上“巴士”業務宣傳力度遠不如南沙港.應加大對外宣傳推介力度，積極推廣其服務項目及優勢，提高知名度，以吸引貨主眼球和外來投資，不斷完善服務.

由圖6 可知，窗墻比、教室長寬比、走廊寬長比及橫向高窗是影響室內自然通風的主要因素，其中，窗墻比影響最大，靈敏度系數為70.92%，其次是教室長寬比，為58.74%，說明在窗墻比不變的情況下，教室的平面尺寸對室內整體通風效果有著較大影響，適當增加開間，減小進深，能提高適宜風速區的面積占比；走廊寬長比、橫向高窗對應的靈敏度系數分別為52.17%、43.48%，表明隨著走廊寬度增加、長度減少，其內部的通風效果越好，對引進室外風進入走廊中部很有益。而增設橫向高窗，能提高遠窗處及靠廊側附近的室內風速，這與室內形成穿堂風有關，改善了氣流組織的流通路徑，使教室、走廊被風穿過的區域面積增加，提高了適宜風速區的面積占比；而窗臺高度的影響較小，對風速適宜區的靈敏度僅為10%左右。因此，進行自然通風優化設計時，應先考慮窗戶大小和教室長寬比，其次是走廊寬長比和橫向高窗，而窗臺高度可不重點考慮。

4 結論

本文針對我國嚴寒地區內廊式教學樓室內通風不暢、空氣質量差、空調能耗高的問題，以呼和浩特市為例，結合呼市風氣候特點，得出建筑良好通風的朝向，再利用Airpak 軟件優化走廊、教室、側窗及高窗，結論如下：

1）用Weather tool軟件載入呼市地區的氣象數據，得出全年、季節、逐月的風頻圖，從風頻圖得出呼和浩特地區主要的風向和良好的通風朝向，再基于該朝向優化走廊、教室、側窗洞口及高窗。

2）教學樓走廊寬長比增加，會帶來走廊中部風速增加，靜風區面積減少，提高走廊的空氣品質，其合理寬長比在0.067左右；教室長寬比增加，會使室內適宜風速區、高速區占比增加，低速區占比減小。但一味增加教室面寬，會使近窗處風速過大，不利于學生正常作業，因此教室合理長寬比為1.3～1.4；窗洞口大小窗墻比宜控制在 0.3 左右，過大會影響靠窗處作業，過小則不利于室內整體通風；側窗形狀方形窗通風效果最好，條形窗次之，帶形窗最后，具體應根據房間尺寸、功能需求選擇；窗臺高度對通風影響較小，增大窗臺高度對遠窗處通風有利，綜合觀景需求，適宜高度為0.9 m；在走廊兩側內墻上增設橫向高窗有利于南北兩側空間形成有效穿堂風，促進室內空氣流通，適宜尺寸為寬2.4 m×高0.6 m。

3）由自然通風影響因素

靈敏度分析可得，室內適宜風速區面積占比的影響程度由大到小依次為窗墻比、教室長寬比、走廊寬長比、橫向高窗、窗臺高度，各參數的靈敏度系數均為正值，表明隨著參數值的增加，室內風速在0.2～1.0 m/s 的面積區域增加，整體通風水平得到提高。

在進行室內自然通風優化設計時，應首先考慮窗戶大小和教室長寬比，其次是走廊寬長比、橫向高窗，最后是窗臺高度。

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